我國燃料電池客車已經(jīng)完成商業(yè)示范運營，各種性能指標已基本達到運營要求，開始向大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化邁進。然而，一種新的能源系統(tǒng)要得到推廣和應用，其安全性是應該首先被關(guān)注的。氫氣易揮發(fā)、易燃、易爆及氫脆等特性，使得氫氣在使用過程中存在一定的安全隱患。另外，由于對氫氣使用的經(jīng)驗不夠豐富，駕駛員在使用氫燃料電池汽車時，心理上也存在著較大的疑慮。本文對氫能安全及在燃料電池汽車上采取的安全措施進行了分析介紹，使人們對燃料電池汽車的安全性有更深入的了解和認識。
一、氫能的安全性
任何能源都有一定的安全性問題，只要在使用過程中，根據(jù)其基本特性，通過科學設計，合理使用，就會避免或者降低其危害，為人類的發(fā)展提供能量。
氫能作為一種清潔能源，具有易燃、易爆及氫脆等安全性問題。但這些安全危害的出現(xiàn)都是在一定環(huán)境條件下產(chǎn)生的，只要在使用過程中控制必要條件，就可避免氫氣的危害。例如，氫氣爆炸極限是體積密度達到4.0%～75%，即氫氣在空氣中的體積濃度在4.0%～75%之間時，遇火源就會爆炸，而當氫氣濃度小于4.0%或大于75%時，即使遇到火源，也不會爆炸。
通常情況下，氫的密度僅為空氣的7%（一個標準大氣壓下，0℃下，密度為0.0899g/L），與汽油、丙烷和天然氣相比，具有更大的浮力(快速上升)、擴散性(橫向移動)和快速揮發(fā)性?？諝庵泻茈y聚集高濃度的氫，如果發(fā)生泄漏，氫氣會迅速擴散，特別是在開放環(huán)境中，很容易快速逃逸，而不像汽油揮發(fā)后滯留在空氣中不易疏散。美國邁阿密大學的Swain博士做過一個著名的試驗，如圖1-1所示。兩輛汽車分別用氫氣和汽油作燃料，然后進行泄漏點火試驗。點火3秒后，高壓氫氣產(chǎn)生的火焰直噴上方，汽油則從汽車的下部著火；到1分鐘時，用氫氣作燃料的汽車只有漏出的氫氣在燃燒，汽車沒有大問題，而汽油車則早已成為大火球，完全燒光。所以氫氣易揮發(fā)的性質(zhì)，與普通汽油車相比，有利于汽車的安全。
綜上，只要合理預防控制氫氣的不利安全因素，就會避免產(chǎn)生安全危害。氫工業(yè)長期以來的安全運行以及氫能在航空航天等領(lǐng)域的廣泛應用，都足以證明這一點。
二、燃料電池汽車氫系統(tǒng)安全性
國內(nèi)外對燃料電池汽車制定了很多標準和規(guī)范，其中65%以上的內(nèi)容是針對安全性的規(guī)定。燃料電池汽車的氫安全性，主要是指燃料電池汽車運行過程中車載氫系統(tǒng)的安全，主要包括高壓供氫系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的安全性等。目前，為了保證車載氫系統(tǒng)的安全，各企業(yè)主要從材料選擇、氫泄露監(jiān)測、靜電防護、防爆、阻燃等方面進行預防和控制。
2.1材料安全防護
氫氣與金屬材料接觸會產(chǎn)生氫脆效應，氫脆是溶于金屬中的高壓氫在局部濃度達到飽和后引起金屬塑性下降、誘發(fā)裂紋甚至開裂的現(xiàn)象。氫在常溫常壓下并不會對鋼產(chǎn)生明顯的腐蝕，但在高溫高壓下，會產(chǎn)生氫脆，使其強度大大降低，導致失效。如果與氫接觸的材料選擇不當，就會導致氫泄漏和燃料管道失效。目前，高壓儲氫瓶選擇鋁合金或合成材料來避免氫脆的產(chǎn)生。例如，豐田Mirai儲氫瓶采用高強度的混合材料，由三層結(jié)構(gòu)組成，最內(nèi)層材料是高強度聚合物，中層是強化碳纖維和高強度聚合物的混合材料，外層是玻璃纖維和高強度聚合物的混合材料，其他廠家也有類似的設計，例如昆騰(Quantum)和丁泰克(Dynetek)現(xiàn)在出售的塑料內(nèi)膽和鋁內(nèi)膽碳纖維纏繞的高壓儲氫瓶具有重量輕、單位重量儲氫密度高等優(yōu)點，與鋼制容器相比很好地解決了氫脆問題。國內(nèi)的燃料電池汽車高壓氫瓶主要采用鋁內(nèi)膽加碳纖維纏繞的Ⅲ型氣瓶。。
各種燃料管道以及閥件也都采用適用于氫介質(zhì)的材料，如抗氫脆的不銹鋼（316L，耐壓大于5000psi）、鋁合金材料或聚合物，并且儲瓶、管道及閥件所能承受的壓力留有足夠的安全余量，儲氫瓶的安裝及高壓氫氣連接管材質(zhì)均應符合相關(guān)國家規(guī)范的安全要求。這些材料的使用，均可避免氫脆的發(fā)生。
2.2元器件防護
為了防止電路中產(chǎn)生電火花點燃氫氣而產(chǎn)生燃燒或爆炸事故，燃料電池汽車的電氣元件、管路、閥體均采用相應的防爆、防靜電、阻燃、防水、防鹽霧材料。例如，燃料電池汽車的氫檢測傳感器均選用防爆型，而不用觸點式傳感器，因為觸點式傳感器在氫氣含量達到設定值時通過觸點的動作輸出信號，容易產(chǎn)生觸點火花而引發(fā)事故；為了防止繼電器觸點動作時產(chǎn)生電弧放電而點燃氫氣，氫安全處理系統(tǒng)中所用的繼電器選用防爆固態(tài)繼電器；元器件的防水防塵等級為IP67，以后將逐步提高；線束材料的阻燃級別：垂直燃燒V0和水平燃燒ＨＢ級，均為最高等級要求。
2.3氫系統(tǒng)安全防護
氫系統(tǒng)的防護措施，主要是對高壓儲氫瓶及氫氣管路進行安全設計，安裝各種安全設施。如2-1車載氫系統(tǒng)功能框圖所示，燃料電池汽車的氫系統(tǒng)安全防護體系是由排空管、安全閥、手動截止閥、單向閥、泄壓球閥、碰撞傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、電磁閥、碰撞傳感器等構(gòu)成，并在監(jiān)控系統(tǒng)中設定相應的防護值，一旦發(fā)生異常狀況，則通過氫系統(tǒng)控制器將各種監(jiān)控信息傳遞給各種安全設施，及時斷開或關(guān)閉，使燃料電池汽車處于安全狀態(tài)。
▲圖2-1車載氫系統(tǒng)功能框圖
氫系統(tǒng)的安全設施主要功能如下：
?。?）氣瓶安全閥：當儲氫瓶氫氣壓力超過設定值后能自動泄壓。例如在瓶體溫度由于某種原因突然升高造成瓶內(nèi)氣體壓力升高，當壓力超過安全閥設定值時，安全閥自動泄壓，保證氣瓶在安全的工作壓力范圍之內(nèi)。
?。?）溫度傳感器：通過氣體溫度的變化判斷外界是否有異常情況發(fā)生。如果氣體溫度突然急劇上升時，若非溫度傳感器故障，則在氣瓶周圍可能有火警發(fā)生，可通過氫系統(tǒng)控制器立即報警。
（3）氣瓶電磁閥：氣瓶電磁閥為12V直流電源驅(qū)動，無電源時處于常閉狀態(tài)，主要起開關(guān)氣瓶的作用，與氫氣泄漏報警系統(tǒng)聯(lián)動。當系統(tǒng)正常通電工作時，電池閥處于開啟狀態(tài)，一旦泄漏氫氣濃度達到保護值則自動關(guān)閉，從而達到切斷氫源的目的。
?。?）手動截止閥：通常處于常開狀態(tài)，當氣瓶電磁閥失效時可以手動切斷氫源。電磁閥和手動截止閥聯(lián)合作用，可有效地避免了氫氣泄漏。
?。?）壓力傳感器：用于判斷氣瓶中剩余氫氣量，保證車輛的正常行駛。當壓力低于某值時可以提示駕駛員加注氫氣。
（6）加氣口：在加注時與加氫機的加氣槍相連，具有單向閥的功能。
?。?）單向閥：在加氣口損壞時，阻止氣體向外泄漏。
（8）管路電磁閥：在給氫氣瓶充氣時，可有效防止氣體進入燃料電池。
?。?）減壓閥：將氫氣的壓力調(diào)節(jié)到燃料電池所需要的壓力。當出現(xiàn)異常情況，可以與針閥、安全閥聯(lián)動將氫氣瓶中的殘余氫氣安全放空。
?。?0）熱熔栓：設置在高壓氫瓶內(nèi)，可防止周邊著火導致氫瓶發(fā)生爆炸。一旦溫度傳感器檢測到儲氫瓶周邊溫度過高，則氫瓶內(nèi)的熱熔栓將熔化，使氫氣低流速釋放，如果周邊有火源，只出現(xiàn)氫氣緩慢燃燒而避免爆燃情況發(fā)生。
2.4氫系統(tǒng)安全監(jiān)控
車載氫系統(tǒng)安全監(jiān)控主要是對儲氫瓶系統(tǒng)、乘客艙、燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)以及尾氣排放處的氫氣泄露、系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)溫度、電氣元件及其他器件進行實時監(jiān)控，確保燃料電池在加氫、用氫過程中的安全。氫氣安全監(jiān)控系統(tǒng)主要包括氫系統(tǒng)控制器、氫氣泄漏傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器等元器件。氫系統(tǒng)控制器在工作過程中，氫系統(tǒng)控制器監(jiān)控氫瓶及氫管路安全、氫氣泄漏狀態(tài)及整車運行狀態(tài)，只要出現(xiàn)異常，隨時主動關(guān)閉供氫系統(tǒng)，保證燃料電池車輛安全。
?。?）氫氣泄露監(jiān)控
在儲氫瓶口、乘客艙及燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)易于聚集和泄漏處均放置多個氫氣泄露傳感器，實時監(jiān)測車內(nèi)的氫含量，一旦發(fā)生氫泄漏立即采取響應處置，確保乘客安全。而且當有任何一個傳感器檢測到的氫體積分數(shù)超過氫爆炸下限(空氣中的氫體積含量為4％)的10％、25％和50％時，監(jiān)控器會分別發(fā)出I級、II級、11I級聲光報警信號。具體控制措施，如表2-1所示。
▼表2-1氫氣泄漏控制
?。?）加注安全監(jiān)控與防護
車載氫系統(tǒng)加氫時，當氫系統(tǒng)控制器檢測到氫瓶內(nèi)壓力超過設定的加注壓力或低于設定的低壓值時，立即向整車管路系統(tǒng)和加氫機發(fā)送停止加氫及氫瓶壓力過高或過低的報警信息。
另外，加氫槍安裝了溫度傳感器及壓力傳感器，同時還具有過電壓保護、環(huán)境溫度補償、軟管拉斷裂保護及優(yōu)先順序加氣控制系統(tǒng)等功能。
?。?）氫瓶溫度監(jiān)控
當氫系統(tǒng)控制器檢測到氣瓶的溫度超過或低于設定溫度時，立即關(guān)閉電磁閥，并將氫瓶內(nèi)溫度過高或過低的報警信息發(fā)送給整車管路系統(tǒng)和加氫機請求結(jié)束正常工作，同時信息提示故障氣瓶編號，通過聲光報警方式通知司機，立即采取相應措施。
?。?）供氫時管路壓力監(jiān)控
當車載氫系統(tǒng)供氫時，氫系統(tǒng)控制器檢測低壓壓力超過或低于設定值時，立即關(guān)斷電磁閥，并將管路超壓或管路低壓的報警信息發(fā)送給整車管理系統(tǒng)請求結(jié)束正常工作，同時聲光報警提示司機采取必要措施。
?。?）電氣元件短路監(jiān)控
氫系統(tǒng)控制器到電氣元件發(fā)生短路時，立即關(guān)閉氫系統(tǒng)所有電磁閥并使氫系統(tǒng)斷電，同時通過聲光報警提示司機氫系統(tǒng)短路，采取相應的安全措施。
2.5碰撞安全防護
燃料電池汽車的碰撞安全主要包括儲氫系統(tǒng)、氫氣管路、燃料電池堆、各類閥門、連接頭等關(guān)鍵部件在發(fā)生碰撞時不能遭受破壞。目前，對燃料電池氫安全的碰撞防護設計除了關(guān)鍵零部件具有防撞能力外，主要通過位置布置、固定裝置保護和慣性開關(guān)監(jiān)控碰撞并與整車監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動，自動斷電、自動關(guān)閉閥門等措施來避免災難的發(fā)生。例如，燃料電池混合動力客車的高壓儲氫瓶一般放在車輛前置頂部，燃料電池模塊放在客車后置頂部，動力電池放置于地板下方。前置的儲氫瓶，通過車頂部的管路與車輛后部的燃料電池系統(tǒng)連接，在發(fā)生泄露時，氫氣可以迅速排放到大氣中去。燃料電池模塊對車身結(jié)構(gòu)基本無影響，而動力電池放置在地板下方，則兼顧了車身重心低穩(wěn)定性好，如圖2-2所示。
①氫系統(tǒng)；②空調(diào)系統(tǒng)；③燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)；④空氣過濾器；
?、菟?；⑥散熱系統(tǒng)
▲圖2-2燃料電池客車氫系統(tǒng)布置示意圖
高壓儲氫瓶組是燃料電池供氫系統(tǒng)中的儲能部件，也是安全隱患的根源所在。目前，通過用足夠強度的專用儲氫系統(tǒng)固定支架將氫瓶組、氫瓶閥及高壓管路集成在一起，并用鋼帶支撐，以保證在碰撞過程中，高壓氫瓶的動態(tài)位移不會太大，從而避免造成連接管路的斷裂和變形導致氫氣大量泄漏。何雍等(2011)對燃料電池實車進行了帶壓前碰和零壓后碰試驗，馬春生等（2014）對燃料電池大客車側(cè)翻狀態(tài)下氫系統(tǒng)和燃料電池的加速度和動態(tài)位移情況進行了仿真研究。結(jié)果表明，燃料電池和氫氣瓶能達到預期所規(guī)范的要求。
另外，由于碰撞過程極為復雜，即使零部件已經(jīng)設計的非常牢固，也有可能造成某處零部件的損壞，并最終導致氫氣泄漏，所以，為了預防此狀況的發(fā)生，在整車上進行了慣性開關(guān)的冗余設計，至少設置2個且在車身的不同部位。當發(fā)生碰撞時慣性開關(guān)被激活，將碰撞信號傳送至氫系統(tǒng)控制器，氫系統(tǒng)控制器立即發(fā)出指令關(guān)閉儲氫瓶閥門，斷開氫氣供應，將氫氣的泄漏量降低至最低。慣性開關(guān)的冗余設計不但確保各種碰撞工況都能夠被檢測到，而且也可避免因某個慣性開關(guān)發(fā)生故障而檢測不到碰撞情況的發(fā)生。
結(jié)語
燃料電池汽車的安全是燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，目前各企業(yè)在燃料電池汽車上采取的安全措施，經(jīng)過多年的實際示范運營證明是可靠的。隨著燃料電池成本下降和性能不斷提高，燃料電池汽車已經(jīng)基本達到和傳統(tǒng)汽車相媲美的水平，燃料電池汽車商業(yè)化、規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化是未來發(fā)展趨勢。
